JPH01155291A - 核磁気検層器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繋井において使用される装置、特に地中翳井で
使用される核磁気検層装置に係る。

地層中の残留油の飽和率及び浸透率を測定するための最
も正確で使用し易い翳井検層装置は核磁気ロガー（ＮＭ
Ｌ）である、この検層器においては、ソレノイドコイル
から生成された磁場を利用し検層器に隣接の地層に内蔵
された流体中の陽子を分極させる０次にソレノイドコイ
ルをオフに切り替える。このとき、ソレノイドコイルの
磁場の影響を受けた可動陽子は夫々のラーモア周波数で
地磁場９周囲で歳差運動を行なう、この歳差運動が、検
層器の別の検出コイルに誘導された減衰正弦電圧として
測定される。誘導電圧は典型的には２０〜５０ミリ秒の
オーダで急速に減衰する。その理由は、これらの流体の
スピン−スピンまたは横方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）
［和時間Ｔ２＊が極めて短いためである。

核磁気信号の初期振幅は、検層器に隣接の地層中の「遊
離流体」、即ち産出性流体に比例する。掘削泥水にＮｎ
−ＥＤＴ＾を添加して地層に導入すると、検層器に隣接
の地層中のいかなる油相からも残留核磁気信号だけが得
られる。従って、ＮＭＬのログーインゼクトーログ（ｌ
ｏｇ−ｉｎｊｅｃｔ−１ｏｇ）手順によって、地層中の
残留油飽和率の極めて正確な測定値が得られる。

地層中の流体のスピン−格子時間即ち長手方向（ｌｏｎ
ｇｉｔｕｄｉｎａｌ）ｙＩ和時間Ｔ、は、流体が侵入し
た気孔の（１種類以上の）サイズ（及び気孔の分布）に
関連する。これらの気孔のサイズ及び分布を毛細管圧力
曲線に関連させ、この曲線を公知の、方法で地層の浸透
率と関連させる。

ＮＨＬは、順次延長された分極時間で分極サイクルを反
復することによって１１を測定する方法である。　ＴＩ
は正弦減衰時間Ｔ２＊よりもはるかに長いので、ただ１
回の測定によって正弦減衰曲線からＴ。

を直接決定することはできない。

ＮＭＬ検層器は極めて有用であるが欠点もいくつかある
。　ＮＭＬの主な欠点の１つは、信号対雑音比が悪く連
続検層作業中の正確度が孔隙率の１の位の程度に制限さ
れることである。遊離流体指数の測定にはこの正確度で
十分である。しかしながら、残留油飽和率は典型的には
総孔隙率の１７３以下であるため、高い油回収率を得る
ために必要な正確度で残留油飽和率を測定するためには
ＮＭＬを、Ｗ１止状態で使用する必要がある。典型的に
は、１つの繋井位置で約１５分間データを収集し、残留
油飽和率を１％以上の正確度で得るために前記データを
平均化する。しかしながら、検層器をこのような長時間
にわたって静止状態に維持する場合、地層全体のデータ
収集に時間がかかりまた検層器が翳井に粘着するおそれ
もある。

ＮＭＬの別の欠点は、地層中の探査深度が浅いことであ
る。また、信号対雑音比がよくないため、繋井の壁土数
センチメートルの場所からの信号しか検出できない。

さらに別の欠点は、Ｔ１減衰曲線の不連続な複数の測定
値を得るために分極サイクルの反復を必要とすることで
ある。このため測定所要時間が更に延長される。また少
数の測定値しか得られないためＴ１減衰曲線の形状が極
めて不正確であり、このＴ、減衰曲線は地層中の気孔の
サイズ及びその分布に関して不正確な情報を含むことに
なる（従ってこれに基づいて決定される毛細管圧力また
は浸透率も不正確である）、これがＮＭＬ検層器の重大
な欠点である。

従来技術の核磁気検層器のデテクタとして超伝導量子干
渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を使用する改良が提案されて
いる。この提案では、鑿井内の探査深度を増すために対
向する２つの超伝導磁石を従来の分極ソレノイドに代替
して使用するように検層器が改良されている。しかしな
がら、坑内検層器のデテクタとしてのＳＱ旧りの使用は
まだ実用化されていない、その理由は、繋井環境で液体
ヘリウムを使用するときの極低温及び安全の問題にある
。

より詳細には、液体ヘリウムは蒸発によって６００倍以
上も膨張するので坑内に安全に通気することができない
という問題が１つある。また、坑内の高温環境で適当な
坑内作業時間を与えるのが顧しいという問題がある。こ
れらの問題が核磁気検層器のデテクタとしてＳＱＵＩＤ
を使用することの障害、となっている。

しかしながら本発明は、従来技術の上記のごとき制約及
び欠点を克服し、地下繋井の正弦磁場及び緩徐に変動す
る磁場を検出し得るデテクタを備えた核磁気検層装置を
提供する。

本発明は、地磁場の周囲の可動核の歳差運動から生じた
正弦磁場及び緩徐に変動する磁場を実質的に同時に検出
し得る１つ以上のデテクタを使用して地層の核磁気応答
を測定する検層装置を提供する。

本発明装置は、 量予め選択された制御信号に応じて励磁または消磁され
得る磁場を生成する手段と、 −前記磁場生成手段が消磁されたときに磁場の正弦変化
及び緩徐に変動する変化を検出し該変化を表示する信号
を出力するデテクタ手段と、−前記予め選択された制御
信号を発生しかつ前記デテクタ手段から信号を受信する
電子素子パッケージとを含む。

好ましくは本発明装置のデテクタは、高温超伝導量子干
渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）である、または、１つまたは
複数のレーザポンプ型ヘリウム磁力計をデテクタとして
使用してもよい０本発明装置の好ましい実施態様では、
超小型ジュール−トムソン冷却器または熱電気的に冷却
されるベルチェエモジュールが使用される。これらは任
意の高温ＳＱＵＩＤをその超伝導転移温度より低温に維
持すべく　ＳＱＵＩＤと同じウェーハ上に一体的に設け
られる。更に、（１つまたは複数の）ＳＱＵＩＤは、運
動誘発性の磁場ノイズをできるだけ抑制するために軸方
向階層的測定構造（ａｘｉａｌ　ｇｒａｄｉｏｗ＋ｅｔ
ｅｒ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に磁束結合されて
いてもよい。

本発明装置の好ましい実施態様によれば、極低温液体冷
却を全く要せずに核磁気検層器中で５Ｑｔｌ　Ｉ　Ｉ）
センサを使用する手段が提供される。非限定例として例
えば希土類−バリウム−酸化銅材料、例えばイツトリウ
ム−バリウム−酸化銅（ＹＢａｔＣｕｓＯｔ）のごとき
、９０Ｋを上回る温度で超伝導性を示す高温超伝導材料
から１つまたは複数のＳＱＵＩＤを製造する。　ＳＱＵ
ＩＤは５ｒＴｉＯ＊またはＭｇＯのごとき熱伝導性の高
い基板にエピタキシャル成長によって堆積される０次に
ウェーハ基板を約８０Ｋまで冷却し、超小型ジュール−
トムソン冷却器（またはより高温の超伝導材料の場合は
ペルチェモジュール）の冷却段に接着する。　ＳＱυ１
０及びウェーハをＧ−１０フアイバガラスのごとき非金
属構造の真空ケーシングで包囲して断熱し、熱負荷を低
減し、冷却器の冷却段をＳＱＵＩＤ材料の超伝導転移温
度より低温に維持する。

ＳＱＵＩＤデテクタ及びレーザポンプ型ヘリウム磁力計
はＤＣまでのすべての周波数に応答するが、従来技術に
よる現行のＮＭＬで使用される共振コイルデテクタの応
答は狭い周波数範囲に限定され、ＤＣでは応答零である
。従って、ＳＱＵＩＤデテクタ及びレーザポンプ型ヘリ
ウム磁力計は、単一ＮＮＬ検層器内の１２本及びＴ１の
双方の減衰を１回の測定で実質的に同時且つ直接に測定
し得る。

５ＱｔｌｌＤエレメントに加えて、ＳＱＵＩＤ電子素子
を冷却器の冷却段に熱交換的に固定してもよい、これに
よりノイズが低減し性能が更に向上する。

１つまたは複数のＳＱＵＩＤデテクタは軸方向階層的測
定構造の超伝導性検出コイルに磁束結合されてもよい。

このコイルはまた、高温超伝導材料から製造されてもよ
く、冷却器の冷却段に熱交換的に固定されてもよい、検
出ループの機能は、デテクタの磁束感度を増加すること
である。軸方向階層的測定構造は、坑内に配置された検
層器が他磁場内で運動することによって生じる磁束ノイ
ズを低減するための好ましい構造である。この構造の場
合、階層的測定コイルの１つのループを分極コイルの内
部に心合わせし、逆巻きの第２のループを分極コイルの
外部まで延ばす、従って、内部ループは地層中の分極陽
子から全信号を検出し、外部ループは陽子信号を実質的
に検出しない、地磁場のごとき均一磁場は各ループに逆
向きの等しい磁束を生成し、従って地磁場は事実上相殺
される。

同様に、レーザポンプ型ヘリウム磁力計は、一方が分極
コイル内部、他方が分極コイル外部に固定された差動対
として使用され得る。

従って本発明の好ましい実施態様によれば、極低温液体
が不要な坑内検層器で使用できるＳＱＵＩＤ検出モジユ
ールが提供され、核磁気検層の信号対雑音比が改良され
、地層のＴ、減衰曲線の直接測定が可能になる。

即ち本発明の目的は、従来技術による現行のＮＭＬに比
較して信号対雑音比が数桁改良された核磁気検層装置を
提供することである。

本発明の別の目的は、連続的な複数の分極サイクルを要
せずに地層の全Ｔ１減衰曲線を直接測定し得るＮＭＬデ
バイスを提供することである。

本発明の上記及びその他の利点及び目的は添付図面に基
づく以下の詳細な記載より明らかにされるであろう。

第１図は、地１ｏに掘削されたツ井１０とケーブル９に
よって該繋井に配置された核磁気検層器１１とを示す、
検層器１１はソレノイドコイル１２を内蔵し、該コイル
は検層器に隣接の地層中で分極磁場ベクトル１３を生成
する。地磁場（Ｈｅ）１４は分極陽子スピンを示す磁化
ベクトル（Ｎｏ）１５に対して角θを成す０分極磁場を
オフに切り替えると陽子スピン１５は図示のごとく地磁
場１４の周囲で歳差運動を行なう、デテクタがラーモア
周波数に同調した共振コイル１７の場合、該デテクタは
歳差運動する陽子スピンＮｏを検出する。計測パッケー
ジ１９は約ＩＫｗの電力を分極コイル１２に供給し、歳
差運動するスピン１５によって共振コイル１７内に誘導
された電圧が検出される。

第２図は、歳差運動する陽子スピン１５によって共振コ
イル１７内での検出が予想される典型的な、信号１６を
示す、信号は、Ｔ１よりはるかに短い時定数Ｔ２＊でラ
ーモア周波数で正弦的に減衰する。１２本は正弦信号の
エンベロープの減衰の時定数を示す。

歳差運動のラーモア周波数は、γＸ　Ｈｅ（式中、陽子
に対するγは４．２６ｋＨｚ／ｇ）である、Ｔ１減衰が
１秒のオーダであり共振コイルの同調ラーモア周波数２
０００Ｈｚとの隔たりが大きいので、Ｔ、の減衰が観察
されないことに注目されたい、第２図はまた、後述する
測定遅延を示し、検層器に隣接の地層中の遊離流体が占
める孔隙率φＦを示す時点ｔ０までもどった信号エンベ
ロープの延長を（点線で）示す。

実験室では従来の共振コイルに比較してＳＱ［ＪＩＤデ
テクタがＮＭＲ信号の検出に有利であることが判明した
。　ＳＱＵＩＤは検出ループを連結する磁場（より正確
には全磁束）を検出するが、従来のＮＭＲコイルはルー
プ内に誘導された電圧（磁束変化レート）を検出する。

従って、ＳＱＵＩＤはＤＣまでの全周波数に応答するが
（即ち極めて広範囲の周波数応答をもつが）、共振コイ
ルの応答は、（コイルのＱで規定される）狭い周波数範
囲に限定され、ＤＣでは応答零である。デテクタとして
使用したときの共振コイルに比較したＳＱＵＩＤの優越
性は、ＮＭＲ周波数が低いとき、スピン光子緩和時間Ｔ
１が長いとき及び横方向緩和時間Ｔ２＊が短いときに最
大に発揮される。

更に、ＤＣまたはＤＣ近傍を測定でき且つ広範囲の周波
数応答をもつその他の非５ＱｔｌｌＤ型デテクタ、例え
ばレーザポンプ型ヘリウム磁力計も、Ｔ２＊正弦減衰及
び緩徐に変動するＴ１減衰の双方の検出のためにデテク
タとして使用することが可能である。

地層の坑内核磁気検層を行なうときには、１２時間が長
＜Ｔ２＊２ｘが短いという状態が現実に生じる。第一に
、地磁場の陽子のラーモア周波数は約２０００Ｈｚであ
り、これは実験室のＮＭＲスペクトロメータで使用され
る１０〜５００ＭＨｚに比較して極めて低い、第二に、
各地層のＴＩＭ和時開時間なり長く典型的には約１．０
秒であるが、Ｔ２１Ｍ和時間は短く典型的には約２０〜
５０ミリ秒である。坑内核磁気検層のときにこのような
高いＴ＋／Ｔ２＊比が観察されるので、ＳＱＵＩＤまた
は同様に高感度の広範囲周波数応答をもつデテクタが従
来の共振コイルデテクタに比較して有利であるという結
論が得られる。

ＳＱＵＩＤデテクタ及び共振コイルデテクタの信号対雑
音（Ｓ／Ｎ）比を比較し、改良の程度を測定する方法が
、Ｒ０＾、Ｗｅｂｂの論文ｒＮｅｗ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕ
ｅ　ＦｏｒＩｍｐｒｏｖｅｄ　Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａ
ｔｕｒｅ　ＳＱＵＩＤ　ＮＭＲＭｅａｓｕｒｅ−ｍｅｎ
ｔｓ」、（Ｒｅｖ　、Ｓｃ　ｉ’、　Ｉｎｓｔｒｕｍ　
、、Ｖｏｌ、４８、Ｎｏ、１２、ｐｐ。

１５８５〜１５９４．１９７７年１２月）に発表されて
いる。

ＳＱＵＩＤ雑音指数及びコイルＱ等には典型的実験値を
用いる。

Ｃ０ＩＬ　Ｓ／Ｎ　　　　（ω。）ｌ／２地層中の典型
的な値Ｔ、　＝　１０００ミリ秒、７２＊＝２０ミリ秒
、ω。＝２本π＊（２ｘ　１０３）＝’１．２６ｘ　１
０’を使用すると、ＳＱＵＩＤのＳ／ＮはコイルのＳ／
Ｈの１３９倍以上である。

ＮＭＬ検層の場合には、共振コイルデテクタに比較した
ＳＱＵＩＤデテクタのＳ／Ｈの改良は更に大きい。

その理由は、従来のＮＭＬが分極磁場のオフ切換後約２
５ミリ秒の不動時間をもつからである。この測定遅延即
ち不動時間は、分極コイルとその回路との間及び検出コ
イルとその回路との間の結合及び呼出に起因する。この
遅延が第２図に示されている。遅延即ち不動時間がＴ２
＊減衰のかなりの部分を占めるので大部分の信号がＮＭ
Ｌの記録開始前に減衰する０例えば、Ｔ２車が２５ミリ
秒でＮＭＬ不動時間が２５ミリ秒のとき、信号の１／ｅ
が検出開始以前に減衰する。

５ＱＩＪＩＤ及び同様のデテクタではこのような問題が
生じない、ラーモア周波数で核スピン（Ｔ２＊）の高速
の横方向位相ずれにのみ敏感でＤＣに敏感でない共振コ
イルと違って、ＳＱＵＩＤまたは同様のデテクタはＤＣ
までの周波数で磁化のＺ成分を測定する。

従って、２５ミリ秒のオーダの計器の不動時間はＳＱＵ
ＩＤまたは同様のデテクタの信号レベルを有意に低下さ
せない。上記の同様のデテクタの例は、ＤＣまたはＤＣ
近傍を測定し得る非ＳＱυ１０型デテクタ、例えばレー
ザポンプ型ヘリウム磁力計である。かかる磁力計もＴ２
＊正弦減衰と緩徐に変動するＴ、減衰との双方を実質的
に同時に検出するデテクタとして使用され得る。

一般に、光ポンプ型磁力計は、アルカリ金属またはヘリ
ウムを収容したランプまたはレーザを使用し、その光は
同じ元素の蒸気を収容したセルを通過し蒸気セルの反対
側の光デテクタに衝突する。

光ポンプ型磁力計は、磁場の強さを連続的に測定するた
めに、このアルカリ蒸気ガスまたは準安定ヘリウム中の
電子集団を利用する。光デテクタの出力が増幅され、蒸
気セルを包囲するコイルに供給される。この電子光学シ
ステムは磁場の強さに正比例する振動数をもつ発振器で
ある。磁力計は光ボンピングを利用して、ＮＭＬが陽子
歳差運動を生起したのと同様に原子または電子スピン歳
差運動を生起する。種々のまたは特定の共振線のエネル
ギの共振吸収及び再放射が磁場の強さ−の関数である。

坑内の核磁気検層に使用されるＳＱＵＩＤまたは同様の
デテクタの別の重要な利点は、Ｔ１減衰曲線を直接測定
できることである。気孔サイズ及び浸透率の測定に必要
なＴ１減衰曲線を得るために分極サイクルを反復する必
要がない。Ｔ１は典型的には１秒のオーダであるから、
Ｔ１減衰曲線を直接測定するためにはデテクタがＩＨｚ
以下のＶＬＦ（超長波）で応答する必要がある。従って
、５ＱｔｌｌＤまたは同様のデテクタはスピンの横方向
位相ずれ及び熱緩和ＴＩの双方に敏感でなければならな
い、地層中でＴ１は典型的にはＴ２の５０倍であるから
、ＳＱＵＩＤまたは同様のデテクタはより長いスピン格
子緩和時間Ｔ１の場合にも信号を検出し得る。

第３図は、第１図の共振コイル１７をＳＱＵＩＤデテク
タ１８で代替したときに検出が予想される信号の典型的
な形態を示す。この信号は、Ｍｏ　５ｉｎ２θに比例す
る時定数１２本で減衰するラーモア周波・数の正弦信号
成分と、ＭｏＣｏ５２θに比例する時定数Ｔ１で減衰す
る非正弦信号成分とから成る。正弦成分のＴ２＊減衰は
地磁場Ｈｅに垂直な分極核スピンの成分に起因し、Ｔ、
成分は地磁場Ｈｅに平行に整列した核スピン成分に起因
する。電子素子から成る低域フィルタ、銅から成る渦電
流コンテナを検出コイル周囲の遮蔽として使用するかま
たはリアルタイムもしくは後処理ソフトウェアによって
記録データに作用するディジタルフィルタを使用して、
ラーモア周波数の正弦１２本減衰をＤＣ近傍のＴ、減衰
から分離し得る。より長いＴ、減衰はコイル１７では測
定できないが、ＳＱＵＩＤ１８は正弦Ｔ２＊減衰とＴ、
減衰との双方を実質的に同時に測定する。また、正弦Ｔ
２車減衰と緩徐に変動するＴ１減衰との双方を実質的に
同時に検出するデテクタとして、レーザポンプ型ヘリウ
ム磁力計のごときＤＣまたはＤＣ近傍の測定が可能な別
の非５ＱｕＩＤ型デテクタを使用してもよい。

第４八図は基板３０の上の５ＱＩＩＩＤデテクタ２０と
冷却モジュール２１とを示す、冷却モジュールは好まし
くは超小型ジュール−トムソン冷却器である。第４Ａ図
では１つのＳＱＵＩＤデテクタ２０だけが図示されてい
るが、２つ以上のかかるＳＱυ１０デテクタを基板３０
に設けることが可能である。基板３０自体がジュール−
トムソン冷却器の冷却段として使用される。

このためＳＱ［ＩＩＤと冷却段との間で良好な熱交換接
触が行なわれる。５ＱＩＪＩＤを可能最低温度にしてＳ
ＱＵＩＤの雑音指数を最適にするためにかかる熱交換接
触が必要である。可能な最大冷却を確保するために５Ｑ
ｔｌ　Ｉ［ｌは基板上でジュール−トムソン熱源にでき
るだけ近接して製造される。ＳＱＵＩＤはＲＦバイアス
型またはＤＣバイアス型のいずれでもよいがここではＤ
Ｃバイアス型だけを説明する。ＳＱＵＩＤは例えば希土
類−バリウム−酸化銅材料のごとき高温超伝導材料から
製造される。ただしこれはＳＱＵＩＤ材料の非限定例に
すぎない。本文中で使用される「高温超伝導材料」なる
用語は、液体窒素の沸点（即ち〜７）Ｋ）より高温の超
伝導転移温度をもつ材料を意味する。

第４Ｂ図によれば、ＤＣＳＱＵＩＤは、適当な基板にＹ
Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７のごとき希土類−バリウム−酸化銅材
料をエピタキシャル成長させることによって形成された
２つの粒状弱結合から成る０粒状弱結合は長さ約１５μ
で厚み１μであり、絶縁ギャップ４７．４８によって規
定されている０弱結合が実際には、弱くジョセフソン結
合した半導体粒子間に存在するので、「粒状」なる用語
で形容した０弱結合が過度に狭いとき（＜＜１５μ）、
中央絶縁部分４６の周囲の電流が過度に高くなり超伝導
材料を急冷するのでＳＱＵＩＤが作動しない、第４Ｂ図
の部分４６は正方形であるが別の幾何学形も使用し得る
。また、弱結合が過度に広いとき、過度の電流が流れそ
の結果ＳＱＵＩＤの「階層的」動作特性が得られない、
従って５ＱｔｌｌＤが適切に機能しない。

本文中ではＳＱＵＩＤの好ましい製造材料としてＹＢａ
２ＣｕＪｔを記載した。しかしながら、酸素欠損へロブ
スカイト構造をもつ任意の高温超伝導材料の使用が可能
である。　ＹＢａ２Ｃｕ３０ｔを使用する場合、エピタ
キシャル成長を行わせるために基板はＹＢａ２ＣｕＪｔ
と同様の分子構造をもつ必要があり（いかなる材料をＳ
ＱＵＩＤ材料として使用する場合にも基板はＳＱＵＩＤ
材料と同様の分子構造をもつ必要がある）、また冷却モ
ジュール２１との間で良好な熱交換を行なうために基板
は液体窒素の近傍の温度で熱の良導体でなければならな
い、かかる基板の非限定例は５ｒＴｉＯ，またはＭｇＯ
である０例えばＳｒＴｉＯ３の「ａ」格子定数は３．９
人であり、ＹＢａｔＣｕｓＯｔの対応する格子定数は３
．８３人である。　ＹＢａ２ＣｕＪｔ超伝導体中で可能
な最大臨界磁場及び電流を得るなめには配向された結晶
のエピタキシャル成長が重要である。（１キロガウスを
上回る磁場の作用を受けるとき）ＳＱＵＩＤが分極サイ
クル中に超伝導性を維持するのが好ましいので、ＳＱＵ
ＩＤは予想されるいかなる分極磁場も上回る強さの臨界
磁場をもつのが好ましい。

５ｒＴｉＯ＝基板上のＳＱＵＩＤ材料のエピタキシャル
成長は、分子ビームエピタキシー、電子ビーム蒸着、単
一及び多数ターゲットからのスパッタリング、パルス型
エクシマレーザによる単一ターゲットの溶発、ゾル・ゲ
ル、プラズマ酸化のごとき当業者に公知の種々の技術に
よって行なわれる。例えば分子ビームエピタキシーを使
用するときは、まずＹ−Ｄａ−Ｃｕの薄ｙＪＪ（〜２０
μ）を正確な化学量論でＳｒＴｉＯ３基板に蒸着し次に
酸化してＹＢａ２Ｃｕ、（ｌｙにする。次に、ＹＢａ２
Ｃｕ３Ｏ７層に金の薄層をデポジットする。

最後に、金層にホトレジスト層を載せホトリソグラフィ
で設計回通りに描画する。次にＳＱＵＩＤ設計図の内部
のホトレジスト及び金をイオンミリングする。即ち、第
４Ｂ図の中央部分４６とギャップ４７．４８を被覆して
いるレジスト及び金を除去する。従って超伝導性を維持
するように設計された層の部分には金及びレジストが残
存している６次に、超伝導性を維持するように設計され
た部分を金で保護しておき、０．３〜３ＭｅＶの酸素イ
オンビームを使用して中央部分４６及びギャップ４７．
４８の露出したＹＢａ２Ｃｕ３０ｔに酸素を打ち込みこ
れらを絶縁体領域とする。最後に、残りの金をイオンミ
リングで除去し完全なプレーナ形構造を形成する。

上記の方法で基板に複数のＳＱＵＩＤセンサを形成し得
る。複数のセンサの利点は、各センサのＳＱＵＩＤノイ
ズがランダムであり相関性がないのでＳＱＵＩＤ出力の
加算によって信号対雑音比が更に改良されることである
。

超小型冷却器は窒素のごとき作動気体のジュール−トム
ソン膨張によって機能する。極低温流体または移動部材
が全く存在しないので振動が極めて少なく従ってノイズ
が少ない。超小型ジュール−トムソン冷却器は市販され
ており、例えばＭＭＲＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、■ｎ
ｃ、、Ｍｏｕｎｔａｉｎ　Ｖｉｅｕ＋、Ｃａ１ｉｆｏｒ
ｎｉａのＳｙｓｔｅｍ　Ｉ冷却器がある。しかしながら
これらのＭＭＲＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓの冷却器はガ
ラスまたはシリコンから製造されており、ＹＢａ２Ｃｕ
Ｊ７ＳＱＵＩＤのエピタキシャル基板として使用するこ
とができない、第４八図に示すごとく、超小型ジュール
−トムソン冷却器４０は３つの主要部、即ち熱交換器４
１と膨張毛細管４２と液体リザーバ４３とから構成され
ている。冷却器は光加工技術によって５ｒＴｉＯ，ウェ
ーハ３０から製造されてもよい、光加工技術を使用した
場合、例えば第４Ａ図に示すような冷却器部分のマスク
をまず製造する０次に重クロム酸アンモニウムで活性化
したゼラチンの粘性水溶液をウェーハ３０に塗布する。

ウェーハ３０に塗布した溶液を乾燥させ、マスクで被覆
し、マスクの開孔から紫外光を照射し、温水中で現像す
る。このレジストは乾燥後に粉末ＡＮ、０３による研摩
エツチングに耐性の強靭な弾力性皮膜を形成する。非照
射ゼラチンを温水で洗い落とし非保ｇｌｓｒＴｉＯ，ｌ
パターンを残す。

研摩エツチングは、レジストで部分的に被覆されたウェ
ーハに、粒度範囲１０〜３０μで十分な硬さをもつ＾１
２０．またはその他の粉末を噴射することによって行な
われる。この噴射によってウェーハの表面全体が掃引さ
れる。この結果、２〜１００μの範囲の精密調整された
深さをもちほぼ鉛直な側壁をもつ溝がウェーハ３０にエ
ツチングされる。残りのレジストはゼラチンの化学溶液
によって除去される。

冷却器部分を完成するために、低温エポキシのごとき使
用可能な種々の接着剤を用い、エツチングされたウェー
ハにカバープレートを接着する。

接着剤がミクロンサイズの溝に流入しないようになんら
かの配慮が必要である。

冷却器の作動気体は、典型的には圧力１４０バールの加
圧タンクに収容されており、ジュール−トムソン冷却器
で膨張して検層器内部のく図示しない）より大きい低圧
収集タンクに流入する二収集タンクは加圧タンクの複数
倍（典型的には少なくとも１０倍）の大きさをもち、従
って膨張した気体は高圧にならないので冷却機能は低下
しない、冷却器の運転時間は圧力１４０バールの窒素ガ
ス１１で典型的には約１２時間である。または、気体の
閉サイクル圧縮機を使用することもできるが、かかる可
動部材は振動の原因になり信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を低
下させる。また、１８０により高温の超伝導転移温度を
もつ材料からＳＱＵＩＤを製造したときは、冷却モジュ
ール２１としてベルチェモジュールを使用することも可
能である。その理由は、現行のベルチェモジュールが約
１８０にの冷却温度をもつからである。

冷却器冷却段及びＳＱＵＩＤが（図示しない）真空容器
によって包囲される。真空容器は冷却段及びＳＱＵＩＤ
センサ内への熱り−クを低減するのに必要な真空スペー
スを与える。真空容器は、液体窒素の温度で熱伝導率が
低い任意の非金属性及び非磁性材料から構成され得る。

ＳＱＵＩＤの断熱性を改良するために真空スペース内部
に超絶縁薄片（例えばアルミ化マイラ）を付加し得る。

しかしながらこの超絶縁薄片は、超絶縁内部の渦電流を
低減するために垂直に裁断される必要がある。

第５図は本発明の実施に使用される軸方向階層的測定コ
イルを示す、これらのコイルの機能は、磁束感度を改良
し他磁場内の検層器の運動に起因する磁気ノイズを低減
することである。感知コイル５１．５２は同軸で逆巻き
でありその結果コイル内の均一磁場が正確に相殺される
。一方の感知コイル５１は分極コイル１２の内部に心合
わせされ他方のコイル５２は分極コイルの実質的に外部
、こ配置されている０分極コイル１２の内部に心合わせ
された感類コイル５１は地層２０から最大信号を検出し
、分極コイルの外部の感知コイル５２は地層から信号を
実質的に全く検出しない、これらのコイルは１つまたは
複数のＳＱＵＩＤに磁束結合されてもよく、または各Ｓ
ＱＵＩＤがそれ自体のコイル群をもっていてもよい。

しかしながら、検層器においてＳＱＵＩＤ自体が磁束セ
ンサとして機能し、振動を抑制するために検層器が臀井
の壁に固定されてもよい、磁束結合されたコイルを使用
する場合、５ＱｔｌｌＤセンサはＳＱＵＩＤを包囲する
ＹＢＩＬｚＣｕ３０ｔの超伝導遮蔽によって磁場から遮
蔽される。コイルに達する超伝導リードは超伝導遮蔽の
小さい開孔に挿通される。

階層的測定コイルはＳＱＵＩＤ製造と同様にしてＳｒＴ
ｉＯ３基板に堆積されたエピタキシャル薄膜でもよい、
または、コイルが短い複数の超伝導ＹＢａ２Ｃｕ＊Ｏｔ
ワイヤから製造されてもよい、このワイヤはＹＢａｔＣ
ｕ３０ｔの圧縮粉末を詰めた金または銀の管から製造さ
れ得る。管をシールし、小直径にスェージ加工し、９０
０℃以上に再加熱し、徐冷（〜２０時間）する。このよ
うにして製造されたワイヤは達成可能な最大臨界電流を
もたないが磁場零で１０００八八ｍ２及び１０００ガウ
ス以上で２００＾／ｃａ＋２を上回る値をもち得る。

同様に、レーザポンプ型ヘリウム磁力計から成るデテク
タは、一対ずつ使用され一方の磁力計が分極コイルの内
部に配置され他方の磁力計が分極コイルの外部に配置さ
れる。これらの２つの磁力計はまた、他磁場内での運動
から生じる信号を排除するために差動的に結合される。

上記ではＤＣ粒状弱結合薄膜型ＳＱＵＩＤを説明したが
本発明の教示に従ってその他の型のＳＱＵＩＤを製造す
ることも可能である。その例としては、トンネル接合Ｓ
ＱＵＩＤ（超伝導体−絶縁体−超伝導体、超伝導体−標
準金属−超伝導体及び超伝導体−半導体−超伝導体）、
薄膜弱結合例えばＤａｙｅｍ及びＧｒｉｍｅの結合、点
接触ＳＱＵＩＤ及び薄膜と点接触ＳＱＵＩＤとの種々の
混成組み合わせがある。同様に、ＳＱＵＩＤは単接合Ｒ
Ｆバイアス型でもよくまたは複接合ＤＣＳＱＵＩＤでも
よい。

第６図は、当業界で公知のＤＣ５ＱＵＩＩＤ６２０を作
動させるために必要な電子素子のブロック図である。

電子素子は、バイアス電流源６１０と増幅手段６００゜
６０１．６０２と変調手段６０３．６０４．６０５とフ
ィードしくツク手段６０７，６０８とフィルタ手段６０
６とモニタ手段６０９とゼロオフセット６１２とから成
る。現在では、ＤＣＳＱｔｌＩＤをフィードバックモー
ドで作動させ、バイアス電流によって選択されるに伴っ
てＳＱＵＩＤの階段状の電流対電圧動作特性曲線の鋭角
頂点にＳＱＵＩＤが維持されるのが好ましい。変調及び
フィードバックは、電子素子が検層器の磁場のいかなる
変化も追跡できるような任意の周波数で行なう。第６図
は１００ｋＨｚ変調発振器６０４を示す。

より詳細には、検出される信号が入力コイル６２１ヲ介
Ｌ　−（ＳＱＵＩＤ６２０に磁束結合されル、　ＳＱＵ
ＩＤ６２０自体がデテクタのとき、入力コイル６２１は
存在せず、検出された磁束はＳＱυＩＤの絶縁中央部分
（例えば第４Ｂ図の部分４６）を通過する磁束である。

ＳＱＵＩＤは変調及びフィードバックコイル６２２によ
って電子素子が磁場のいかなる変化も追跡し得るに十分
な周波数で変調発振器６２２によって変調される。この
周波数は１００ｋＨｚが好ましい。移相器６０３が前記
発振器に接続されている。５ＱｔｌｌＤは磁場の変化を
感知するときに階段状動作特性曲線に沿って（バイアス
電流によって選択された）選択作動点を鉛直方向で上下
に郡動させる。増幅手段６００，６０１，６０２はこの
変化を増幅し、これがフィルタ手段６０６で濾過され、
フィードバック手段６０７，６０８と変調及びフィード
バックコイル６２２を介して非変調フィードバックが５
Ｑｔｌ　ＩＤ６２０に与えられる。特に増幅手段は、増
幅率が×１００の増幅器６００と、増幅率が×１００で
品質ｑ〜３をもつ同調増幅器６０１と、増幅率が×Ｏ〜
３００の広帯域増幅器６０２とを含む、広帯域増幅器６
０２は増幅器６１１に接続されている。更に詳細にはフ
ィルタ手段６０６が１００及び２００ｋｌｌｚのトラ１
．プを含むことに注目されたい。フィードバックはＳＱ
ＵＩＤを選択された作動点に維持する。フィードバック
の量及びタイプはモニタ手段バッファ増幅器６０９によ
って検出され、ＳＱＵＩＤによって感知された磁場変化
を表示する出力として与えられる。

上記本文中に記載した装置及び記述に関して本発明の範
囲内で多くの変更及び変形が可能であることは当業者に
理解されよう、従って、添付図面に示し本文中で説明し
た装置及び方法は非限定的な記載であり本発明の範囲が
これらの記載に限定されないことも明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は核磁気検層器を関連磁場ベクトル及び該磁場ベ
クトルと地磁場との関係と共に示す核磁気検層器の概略
説明図、第２図はラーモア周波数に同調した共振コイル
を使用して検出された典型的なＮＭＬ信号の図、第３図
は共振コイルに代替してＳＱＵＩＤをデテクタとして使
用して検出された典型的なＮＭＬ信号の図、第４Ａ図は
、同一ウェーハ基板に一体的に設けられたＳＱＵＩＤデ
テクタと超小型ジュール−トムソン冷却器との説明図、
第４Ｂ図はＳＱＵＩＤデテクタの詳細図、第５図は本発
明で使用され得るＳＱＵＩＤに磁束結合された超伝導コ
イルの軸方向階層的測定構造を示す説明図、第６図はＳ
ＱＵＩＤデテクタ用の典型的な測定電子素子の説明図で
ある。 ９・・・・・・ケーブル、１０・・・・・・翳井、１１
・・・・・・検層器、１２・・・・・・ソレノイドコト
ル、１３・・・・・・分極磁場ベクトル、１４・・・・
・・地磁場、１５・・・・・・陽子スピン、１７・・・
・・・共振コイル、１９・・・・・・計測パッケージ、
２０・・・・・・地層。 代理人弁理士　船　　山　　　　武 Ｆｌ　（３，５

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）−予め選択された制御信号に応じて励磁または消
   磁され得る磁場を生成する手段と、 −前記磁場生成手段が消磁されたときに磁場の正弦変化
   及び緩徐に変動する変化を検出し該変化を表示する信号
   を出力するデテクタ手段と、 −前記予め選択された制御信号を発生しかつ前記デテク
   タ手段から信号を受信する電子素子パッケージとを含む
   ことを特徴とする核磁気検層器。
2. （２）前記デテクタ手段が、レーザポンプ型ヘリウム磁
   力計であることを特徴とする請求項１に記載の核磁気検
   層器。
3. （３）前記デテクタ手段が超伝導量子干渉デバイス（Ｓ
   ＱＵＩＤ）であることを特徴とする請求項１に記載の検
   層器。
4. （４）更に、前記ＳＱＵＩＤデテクタ手段をその超伝導
   材料の超伝導転移温度より低温に維持すべく、該ＳＱＵ
   ＩＤデテクタ手段の冷却手段を含むことを特徴とする請
   求項３に記載の核磁気検層器。
5. （５）前記磁場生成手段がソレノイドコイルであること
   を特徴とする請求項１に記載の核磁気検層器。
6. （６）前記ＳＱＵＩＤが高温超伝導材料を使用している
   ことを特徴とする請求項３に記載の核磁気検層器。
7. （７）前記冷却手段がジュール−トムソン冷却サイクル
   を利用していることを特徴とする請求項４に記載の核磁
   気検層器。
8. （８）前記高温超伝導材料が実質的に酸素欠損型ペロブ
   スカイトであることを特徴とする請求項６に記載の核磁
   気検層器。
9. （９）前記高温超伝導材料が実質的にＹＢａ＿２Ｃｕ＿
   ３Ｏ＿７であることを特徴とする請求項８に記載の核磁
   気検層器。
10. （１０）更に、前記ＳＱＵＩＤに磁束結合され軸方向階
    層的測定を行なう一対の超伝導性検出コイルを含み、前
    記コイルの一方が磁場生成手段に内蔵され他方のコイル
    が磁場生成手段の外部に配置されていることを特徴とす
    る請求項３に記載の核磁気検層器。
11. （１１）更に、前記ＳＱＵＩＤの周囲に配置された超伝
    導遮蔽を含むことを特徴とする請求項１０に記載の核磁
    気検層器。
12. （１２）前記ＳＱＵＩＤ及び冷却手段が熱伝導性基板の
    上に互いに隣接して設けられていることを特徴とする請
    求項４に記載の核磁気検層器。
13. （１３）前記基板がＳｒＴｉＯ＿３であることを特徴と
    する請求項１２に記載の核磁気検層器。
14. （１４）前記基板がＭｇＯであることを特徴とする請求
    項１２に記載の核磁気検層器。
15. （１５）鑿井内で磁場を生成し、前記磁場を除去し、次
    に、地磁場の周囲の可動核の歳差運動から生じる正弦磁
    場と緩徐に変動する磁場とを実質的に同時に検出するこ
    とを特徴とする核磁気検層方法。
16. （１６）実質的に添付図面に基づいて本文中に説明した
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の核磁気検層器
    。
17. （１７）実質的に添付図面に基づいて本文中に説明した
    請求項１５に記載の核磁気検層方法。